Космонавт, одетый в тяжелый и неудобный скафандр, на минутку остановился у люка, ведущего внутрь космического корабля, оглянулся на стоящую внизу толпу провожающих, поднял руку в прощальном приветствии и исчез в темном отверстии своего отсека. Он удобно уселся в кресле из пористого, мягкого, пластического материала, закрепил ремни, подсоединил контакты скафандра к общей сети сигнальной проводки корабля и нажал одну из кнопок на щите управления, давая сигнал готовности к радиоприему. Через минуту он услышал голос командующего полетом:

— Все в порядке, осталось еще несколько минут! — Космонавт включил общую сеть радиовещания и услышал голос радиокомментатора, который сообщал подробности подготовки к старту и красочно описывал предпусковые эмоции и настроения. Космонавт еще раз вспомнил сцены прощания с родными и друзьями, с учеными-руководителями космических исследований.

— Объявляю готовность номер один! — внезапно раздался в гермошлемофоне голос командующего. После этого начался столь знакомый всем космонавтам волнующий отсчет, каждая цифра которого несла с собой все увеличивающуюся напряженность ожидания.

— Внимание, внимание, внимание! Десять… девять… восемь… семь… шесть… пять… четыре… три… два… один… Пуск!

Кабину космонавта пронзила сначала вибрация, приходящая волнами откуда-то снизу; потом раздался приглушенный гром, который быстро превратился в протяжный непрерывный грохот. Из-под дна ракеты показалась длинная струя огненных молний, и ее огромный корпус, среди дыма и грохота, медленно отделился от земли, постепенно увеличивая скорость движения.

В то время как все провожающие на космодроме, стараясь проследить за полетом корабля, все выше поднимали головы, в кабине начались ответственные для космонавта минуты.

— Перегрузка нарастает! — доносил он по радио. — Все в порядке, приборы действуют исправно! — Это были последние слова, которые космонавту удалось произнести без особого труда, потому что вдруг какая-то мощная сила прижала его тело к креслу. Огромная тяжесть навалилась на грудь так, что космонавт не мог сделать ни одного глотка воздуха. Казалось, еще немного, и он будет раздавлен. Ноги и руки отяжелели, стали будто свинцовыми, мускулы лица искривились и подались назад, глаза, словно два шарика, глубоко втиснулись в черепную коробку.

Космонавт пытался еще сказать что-то в микрофон, но — безуспешно. С его губ срывалось только непонятное бормотание. Отказавшись от попыток разговора, космонавт сосредоточился на своих переживаниях, старался оказать сопротивление мощной силе, глотнуть устами воздух.

Внезапно он почувствовал резкое облегчение.

— Конец работы двигателя первой ступени ракеты, — пронеслось в его голове.

Но это был только мгновенный перерыв в работе двигателей. Как только отделилась первая ступень ракеты, включились двигатели второй ступени.

Скорость снова стала нарастать, а с ней увеличилась нагрузка, тело космонавта снова вдавилось в подушки кресла. Через несколько минут иссякло горючее в двигателях второй ступени ракеты, наступил короткий перерыв, после чего заработали двигатели третьей ступени. И хотя тело еще с огромным трудом преодолевало нагрузку, в голове космонавта появилась мысль о скором конце испытания. Он знал, что двигатели третьей ступени должны работать очень короткое время, и через несколько минут — конец перегрузкам!

Так и случилось. Через девяносто секунд двигатели прекратили работу, и наступила внезапная тишина.

Переход был настолько резким и быстрым, что ни тело, ни мысль космонавта не успели к нему подготовиться. Сердце колотилось в груди, грудная клетка быстро вздымалась и опускалась, космонавт хватал воздух открытым ртом и часто, неглубоко дышал. Но вдруг все прошло.

— Уфф! — глубоко и с чувством облегчения вздохнул космонавт. Первая часть полета — закончена. Он включил микрофон и, четко выделяя слоги, сказал:

— Вышел на орбиту. Все оборудование и приборы работают бесперебойно. Самочувствие хорошее.

Мы попытались описать обыкновенный, рядовой старт космонавта в космос, когда задача ограничивается только лишь орбитальным полетом вокруг Земли. Такой старт все же представляет для человеческого организма тяжелое испытание из-за действия силы ускорения.

Что же это за сила?

Как ее измерить?

Представим себе на минуту, что мы поднялись вверх на воздушном шаре, и, выбрав удобный момент, выбросили гирю. В момент выброса скорость гири будет равна нулю, но уже в конце первой секунды полета она составит 9,8 метров в секунду, в конце второй секунды — в два раза больше, то есть 19,6 м/сек, в конце третьей секунды — в три раза больше, то есть 29,4 м/сек и так далее. Скорость полета гири увеличивается с каждой секундой на 9,8 м/сек.

Именно эта величина и есть единицей ускорения. В науке ее принято обозначать латинской буквой «g». Если какое-либо физическое тело поднимается или падает вертикально, сила ускорения зависит от тяжести или, что то же самое, от силы земного притяжения. Однако существуют и другие виды ускорения, например при вращении, когда появляется центробежная сила, или в самолете, когда пилот, выходя из пикирующего полета, переходит к так называемой «горке».

Все эти виды ускорения считаются положительными.

Во время резкого торможения быстро несущегося поезда или автомобиля возникает сила ускорения с обратным знаком — отрицательное ускорение. В этом случае, сила инерции, вызванная торможением, то есть потерей скорости, или если угодно — отрицательным ускорением, бросает пассажира вперед. Во время автомобильных аварий люди чаще всего гибнут от действия отрицательного ускорения.

Было время, когда вопросы ускорения рассматривались только теоретически. После появления самолетов с большой скоростью полета, вопросы ускорения стали изучаться практически. Лет тридцать тому назад, в кругах авиаторов наделал много шума случай, когда пилот при выходе из пикирующего полета потерял управление и разбился. Оказалось, что под воздействием силы ускорения, возникшей при резкой перемене направления движения во время большой скорости полета, пилот потерял сознание и выпустил из рук рычаги управления.

Какова же причина потери сознания? Ведь это был опытный, сильный, отличавшийся железным здоровьем пилот!

В момент выхода из пикирующего полета появилась центробежная сила, которая вызвала отрицательное ускорение порядка двух до трех. По мере роста центробежной силы увеличивался вес тела пилота и его крови. Когда ускорение дошло до величины 4 g, значительная часть крови, под влиянием этой силы, отхлынула от мозга и переместилась в более низкие части тела, вследствие чего пилот стал терять зрение. Несколько мгновений позднее, когда ускорение уменьшилось, пилот ничего не видел, будто с черной повязкой на глазах.

Однако ускорение продолжало нарастать, потому что пилот вел самолет по кривой, в конце которой самолет оказался бы в положении вертикального полета вверх. Все больше крови притекало из мозга к сердцу пилота. Появились грозные симптомы. Пилоту казалось, что сердце резко падает вниз, что оно переместилось в нижнюю часть живота, а печень оказалась еще ниже, где-то около колен. Пилот уже совсем ничего не видел, и ему приходилось напрягать все силы, чтобы не потерять сознания. До сих пор ему еще не приходилось переживать такого состояния, но пилот не хотел отказаться от борьбы, не хотел подчиниться слабости своего собственного организма. Он полагал, что все неприятные ощущения минуют, как только прекратится действие центробежной силы.

Но на этот раз он просчитался. Он не принял во внимание большой начальной скорости в момент выхода из пикирующего полета и, тем самым, значительной величины центробежной силы, которая появилась в это время.

Неудачный полет продолжался. Мозг пилота, лишенный крови, прекратил работу. Когда сила ускорения дошла до 10 g, тело пилота весило уже не 85 кг, как обычно, а 850 кг. Каждый кубический сантиметр крови весил не 1 грамм, а 10, таким образом кровь стала тяжелее железа и весила почти столько же, сколько весит ртуть.

Делая последнее усилие, пилот решился выдержать еще одну секунду, перед тем как взять рычаг управления «от себя», чтобы облегчить чудовищное давление центробежной силы. Однако в то же мгновение он потерял сознание. Перетянул струну, не выдержал и… проиграл.

Самолет потерял управление, сильная и тяжелая машина стала беспорядочно падать и, в конце концов, врезалась в землю. Таков был трагический конец этого полета.

Случай этот длительное время обсуждался в кругах авиаторов, в особенности же среди физиологов, занимающихся проблемами авиационной медицины. Начались всесторонние научные исследования.

Установлено, что при ускорении порядка 5 g, даже хорошо натренированные и стойкие пилоты теряют зрение, способность дышать, в ушах у них появляются сильные боли. Если такое состояние длится не более 30–40 секунд, организм быстро его преодолевает, если же продолжается дольше — могут произойти серьезные расстройства и даже травмы.

После того, как в авиации началась эра реактивных полетов, и скорости самолетов стали превышать 1000 км/час, ученые стали получать много сведений о стойкости организма на перегрузки при наблюдениях за поведением пилотов во время выполнения фигур высшего пилотажа на больших скоростях. Строились на земле и катапульты, с помощью которых выбрасывались в воздух с большой начальной скоростью манекены, снабженные многочисленными исследовательскими приборами. Отмечались и явления, происходящие в организме парашютиста в момент перехода от свободного падения к полету с открытым парашютом.

Но такие исследования были неполными. Необходимо было создать более многосторонние, удобные и точные приборы и установки для изучения явлений, происходящих в организме человека под воздействием перегрузок.

Скоро такая установка была построена. Это центрифуга, которую летчики и космонавты некоторых стран окрестили названием «карусель». Она стала основной установкой по исследованию стойкости организма к перегрузкам. Как же выглядит эта «карусель»?

В обширном круглом зале, на высоте около метра над уровнем пола, виднеется решетчатая консоль из стальных труб, несколько напоминающая строительный кран. С одного конца консоль посажена на вертикальную ось с электроприводом, мощностью 6000 л. с. Длина консоли карусели составляет 17 метров; на другом конце решетки установлена кабина с местом для сидения человека; в кабине сосредоточена разнообразная и сложная исследовательская аппаратура.

Кабина закрывается герметически, что дает возможность устанавливать внутри нее температуру и давление в весьма широких пределах, то есть можно в ней создать условия, весьма близкие к тем, которые могут господствовать в кабине космонавта во время полета в космосе.

Специальный механизм подвески кабины автоматически устанавливает ее во время испытаний в такое положение, чтобы центробежная сила действовала на человека, находящегося внутри кабины по прямой линии, подобно тому, как эта сила действует во время космического полета. Это облегчает расчеты наблюдающим за опытом врачам.

Из всех многочисленных аппаратов, находящихся в кабине, стоит обратить внимание на объектив камеры телевидения, находящийся непосредственно над головой пассажира кабины. Как только пилот займет в кабине свое место, ученые прикрепляют к его телу множество датчиков, соединенных с электронной контрольной аппаратурой. Благодаря этому, все явления, происходящие в организме пилота во время центрифугирования, точно фиксируются на лентах самопишущих приборов.

Как только консоль «карусели» начнет вращаться, в кабине возникает центробежная сила, которая воздействует на тело пилота подобно силе ускорения в кабине космического корабля или самолета. По мере роста количества оборотов эта сила тоже растет и может достичь величины 40 g, при которой вес тела пилота увеличивается до 3200 кг. Такая перегрузка для человека может окончиться смертью, поэтому ее создают только в исключительных случаях при опытах с животными.

Следует, однако, отметить, что на американской авиационной базе в Джонсвилле (центрифугу, установленную там, как раз мы описываем), в свое время получил известность рекорд, установленный одним из пилотов. Несмотря на то, что ускорение превысило опасный предел 5 g, пилот не давал сигнала к прекращению опыта, и на переданное по телефону предложение остановить центрифугу, ответил отказом. Более того, он потребовал увеличения оборотов. Пилот выдержал ускорение 8 g, потом 10 и 12 g. И только тогда, когда сила ускорения дошла до 14 g и держалась на этом уровне две минуты, пилот наконец дал понять, что больше уже выдержать не может.

Способность человеческого организма переносить перегрузки не одинакова у разных лиц и в значительной степени зависит от индивидуальных качеств, степени натренированности, состояния здоровья, возраста человека и прочее. В основном, нормальный человек при перегрузках 5 g, чувствует себя плохо, но натренированные, пользующиеся исключительным здоровьем пилоты могут выдержать перегрузку порядка 10 g в течение 3–5 минут.

Какие же перегрузки приходилось переносить до сих пор космонавтам?

По советским данным, первый в мире человек, совершивший полет в космическое пространство, Юрий Гагарин, во время старта выдержал перегрузку порядка 4 g. Американские исследователи сообщают, что космонавт Гленн выдержал возрастающую перегрузку до 6,7 g с момента старта до момента отделения первой ступени ракеты, то есть на протяжении 2 минут и 10 секунд. После отделения первой ступени ускорение возрастало с 1,4 до 7,7 g в течение 2 минут и 52 секунд.

Так как в этих условиях ускорение, а с ним и перегрузки нарастают постепенно и не длятся долго, сильный натренированный организм космонавтов переносит их без всякого вреда.

Есть еще один тип установки для исследования реакции человеческого организма на перегрузки. Это реактивные сани, представляющие собой кабину, движущуюся по рельсовому пути значительной протяженности (до 30 километров). Скорость кабины на салазках доходит до 3500 км/час. На этом стенде удобнее исследовать реакции организма на перегрузки, так как на них можно создавать не только положительные, но и отрицательные ускорения. После того, как мощный реактивный двигатель сообщит салазкам через несколько секунд после старта скорость порядка 900 м/сек (то есть скорость ружейной пули), ускорение может достигнуть величины 100 g. При резком торможении, также при помощи реактивных двигателей, отрицательное ускорение может дойти даже до 150 g.

Испытания на реактивных санях пригодны в основном для авиации, а не космонавтики, и, кроме того, установка эта обходится значительно дороже центрифуги.

По тому же принципу, что и реактивные сани, действуют катапульты, имеющие наклонные направляющие, по которым движется кресло с пилотом. Катапульты пригодны в особенности в авиации. На них испытывают реакции организма пилотов, которым быть может в будущем придется при аварии самолета катапультироваться, чтобы спасти свою жизнь. В этом случае, кабина вместе с пилотом выстреливается с потерпевшего аварию реактивного самолета и с помощью парашюта спускаемся на землю. Катапульты способны сообщить ускорение не больше 15 g.

В поисках способа предотвратить вредное воздействие перегрузок на организм человека, ученые установили, что большую пользу приносит погружение человека в жидкую среду, плотность которой примерно соответствует средней плотности человеческого тела.

Были построены бассейны, наполненные жидкой суспензией, соответствующей плотности, с устройством для дыхания; в бассейны помещали подопытных животных (мышей и крыс), после чего осуществляли центрифугирование. Оказалось, что стойкость мышей и крыс к перегрузкам возросла в десять раз.

В одном из американских научных институтов были построены бассейны, позволяющее поместить в них человека; (летчики впоследствии прозвали эти бассейны «железными сиренами»). Пилота сажали в ванну, заполненную жидкостью соответствующей плотности, и производили центрифугирование. Результаты превзошли все ожидания — в одном случае перегрузки были доведены до 32 g. Такую перегрузку человек выдержал в течение пяти секунд.

Правда, «железная сирена» с технической точки зрения несовершенна и, в частности, имеются возражения с точки зрения удобств для космонавта. Однако, не следует судить чересчур поспешно. Возможно, в недалеком будущем, ученые найдут способ улучшить условия испытаний на такой установке.

Следует добавить, что стойкость к перегрузкам во многом зависит от положения тела космонавта во время полета. На основе многих испытаний ученые установили, что человек легче переносит перегрузки в полулежачем положении, так как такое положение удобнее для циркуляции крови.

Мы уже упоминали, что в проведенных космических полетах перегрузки были сравнительно небольшими и продолжались всего несколько минут. Но ведь это только начало космической эры, когда полеты людей в космос происходят по орбитам, сравнительно близким к Земле.

Теперь же мы стоим на пороге полетов на Луну, а при жизни ближайшего поколения — на Марс и Венеру. Возможно придется тогда испытывать значительно большие ускорения, и космонавты будут подвергаться значительно большим перегрузкам.

Существует еще проблема стойкости космонавтов к небольшим, но длительным, постоянным перегрузкам, длящимся в течение всего межпланетного путешествия. Предварительные данные говорят за то, что постоянное ускорение порядка долей, «g» переносится человеком без всякого труда. Уже разработаны проекты таких ракет, двигатели которых будут работать с постоянным ускорением. Не смотря на то что во время самого опыта людям приходилось переносить различные неприятные явления, опыты им не принесли никакого вреда.

Возможно, что в будущем удастся повысить стойкость человеческого организма к перегрузкам другим путем. Интересные опыты были поставлены учеными Кембриджского университета в США. Они подвергли постоянному ускорению порядка 2 g беременных мышей до тех пор, пока не появились мышата, которых держали на центрифуге в течение всей их дальнейшей жизни до самой смерти. Мыши, родившиеся в таких условиях, прекрасно себя чувствовали под воздействием постоянной перегрузки 2 g, и их поведение ничем не отличалось от поведения их собратий, живущих в нормальных условиях.

Мы далеки от мысли поставить аналогичные опыты с людьми, но все же считаем, что явление такой приспособляемости организма к перегрузкам может решить ряд задач, стоящих перед биологами.

Не исключено также, что ученые найдут способ нейтрализации сил ускорения, и человек, оснащенный соответствующей аппаратурой, легко перенесет все явления, сопутствующие перегрузкам. Еще большие надежды связаны с методом замораживания, когда чувствительность человека резко падает (об этом мы пишем ниже).

Прогресс в области повышения стойкости человеческого организма к перегрузкам весьма велик и продолжает развиваться. Уже удалось добиться большого успеха в повышении стойкости путем придания корпусу человека правильного положения во время полета, использования мягкого, устланного губчатой пластмассой кресла и скафандров специальной конструкции. Возможно ближайшее время принесет еще больший успех в этой области.

Из многих опасностей, подстерегающих космонавта во время полета, следует указать еще одну, связанную с аэродинамическими особенностями полета и работой реактивных двигателей. Опасность эту, хотя к счастью и не очень большую, несет с собой вибрация.

Во время старта работают мощные двигатели, и вся конструкция ракеты подвергается сильной вибрации. Вибрация передается телу космонавта и может повести за собой весьма неприятные для него последствия.

Вредное влияние вибрации на организм человека известно уже давно. Действительно, рабочие, пользующиеся более или менее длительное время пневматическим молотом или буром, заболевают так называемой вибрационной болезнью, которая проявляется не только сильными болями мышц и суставов верхних конечностей, но и болями в области живота, сердца, головы. Появляется одышка и затрудняется дыхание. Чувствительность организма в значительной степени зависит от того, какой из внутренних органов подвержен больше всего действию вибрации. По-разному реагируют на вибрацию внутренние органы пищеварения, легкие, верхние и нижние конечности, глаза, мозг, горло, бронхи и т. д.

Установлено, что вибрация космического корабля вредно действует на все ткани и органы человеческого организма — причем хуже всего переносится вибрация большой частоты, то есть такая, которую трудно заметить без точных приборов. Во время опытов с животными и людьми установлено, что у них под влиянием вибрации сначала увеличивается сердцебиение, возрастает давление крови, потом появляются изменения в составе крови: уменьшается количество красных кровяных телец, увеличивается количество белых. Нарушается общий обмен веществ, снижается уровень витаминов в тканях, появляются изменения в костях. Интересно, что температура тела во многом зависит от частоты вибрации. При увеличении частоты колебаний растет температура тела, при снижении частоты — температура снижается.

Поэтому ничего удивительного нет в том, что вибрация космического корабля может стать причиной значительных нарушений в жизнедеятельности организма и может отрицательно сказаться на умственной работе космонавта.

Конечно, последствия вибрации могут стать грозными при длительном ее воздействии на человеческий организм. Если бы космонавтам пришлось переносить вибрацию в течение нескольких дней, это привело бы к полному и необратимому расстройству жизнедеятельности, со всеми вытекающими отсюда последствиями.

К счастью, проблема эта не столь велика, как это кажется на первый взгляд. Дело в том, что длительность вибрации во время старта ракеты составляет всего лишь несколько минут, и хотя экипаж космического корабля испытывает при этом некоторые неудобства, но длятся они столь краткое время, что не приносят никакого вреда. Несколько дольше длится вибрация во время прохождения корабля через атмосферу при посадке. Но и это не так уж опасно. Кроме того, специальная конструкция гибкой и эластической подвески кресел, изолирующая космонавтов от корпуса ракеты, а также мягкая, пластмассовая обивка сидений и спинок кресел значительно снижают вибрацию, передающуюся от корпуса ракеты к телу космонавта.